WHTEPAPER MATERALEVALG TL SPLDEVANDSPUMPER JANUAR 2013 SDE 1 Materiale til spildevandspumper: Øg ydeevnen og forlæng systemets levetid Spildevand kan nogle gange være både ætsende og slidende. At vælge det mest egnede materiale til spildevandspumper er derfor afgørende for at opnå en driftsikker, langtidsholdbar og omkostningseffektiv løsning. Dette whitepaper giver anbefalinger til egnede materialer til spildevandspumper samt beskyttelse til brug med forskellige medier. Det beskriver også forskellige fænomener, som er forbundne med korrosion og slid. Resumé Der findes nogle gange slidende partikler i spildevand. så fald er hårdere materiale mere egnet. Hvis der ikke er slidende partikler i spildevandet, er et pumpehjul af gråjern egnet og omkostningseffektivt. Hvis mediet er korrosivt på grund af klorider, kræves der også zinkanoder og beskyttende belægninger til beskyttelse af pumperne. materiale som middel til at beskytte pumperne samt sikre en optimal ydelse i lang tid, hvilket giver en vedvarende høj effektivitet, som i sidste instans fører til større energibesparelser. Historisk perspektiv de seneste årtier er spildevand blevet mere og mere komplekst på grund af geografiske udvidelser, og derfor er de korroderende og slidende virkninger af spildevand steget. På grund af stigende lønomkostninger ønsker kunderne vedligeholdelsesfrie pumpestationer. Det er derfor mere lønsomt at lade pumperne transportere sand over store afstande inden for systemet, end det er at bruge slamsugere til ofte at fjerne sand og grus i hele spildevandsnettet og transportere det til bortskaffelse. Desuden er mængden af afstrømning fra veje i byer og landsbyer blevet betydeligt større på grund af den højere andel af stenbelagte områder. Denne stigning i stenbelagte områder bidrager til mere sand i systemet, som til gengæld fører til en højere grad af slid på pumpernes hydrauliske dele. Selvom spildevandsrensning både er blevet bedre og er øget, fører mængden af ilt i spildevand sammen med kemisk rensning af spildevand til en øget grad af korrosion på spiralgange, pumpehjul og propeller. Som følge deraf stilles der højere krav til valg af Hydrauliske dele i en Flygt spildevandspumpe. P 1
Hvordan spildevand påvirker en pumpes levetid Der findes mange forskellige typer spildevand. Afhængigt af spildevandstype kræves der brug af forskellige materialer for at forlænge pumpens levetid. Kloridindhold, ph-værdi, temperatur, iltindhold og slidende stoffer er faktorer, som har betydning for valg af materiale og beskyttelse. Urenset spildevand indeholder normalt ikke opløst ilt, fordi mikroorganismerne bruger ilten til at forbruge det organiske materiale, der er til stede i spildevandet. Hvis der er ilt i spildevandet, selv i lave mængder, kan der opstå uacceptable niveauer af korrosion, hvis der bruges gråjern og kulstofstål. Kloridindholdet kan variere fra mellem 10 og 500 mg/l; i nogle tilfælde kan det endda være højere på grund af indtrængen af havvand. ph-værdien ligger typisk omkring 7. urenset spildevand er der ofte slidende partikler til stede; dette øger risikoen for slid på de hydrauliske dele. Materialekorrosion og slid kan føre til uplanlagte driftsstop og reducere pumpens levetid. Pumpehjul efter slidtest. Spildevandsanlæg Slid Slid er pr. definition tab af materiale fra en overflade. Generelt kan der opstå mere end én enkelt slidmekanisme på samme tid; dog er en af slidmekanismerne som regel dominerende. Slid på grund slidende partiker er almindeligt i spildevand. Hvis hastigheden i pumpens spiralgang er høj, accelereres vanderosionen. Pumpedele såsom pumpehjul, propeller, sugedæksler og spiralgange, som er i direkte kontakt med pumpemediet, er primært udsatte for erosionsslid. Spildevandshastighed er direkte proportionelt med slidraten; med andre ord, hvis hastigheden stiger, så gør slidraten det også. Der er et stærkt lineært forhold mellem slidmodstand og hårdhed på samme type metalliske materialer (figur 1). Disse slidmodstandstests er blevet udført på Xylems materialelaboratorium, som bruger et specialdesignet testapparat, der simulerer de faktiske betingelser inde i pumpen. Hard-ron (hårdt jern) er utrolig slidstærkt på grund af dets integrerede hårde kromkarbider. Det lineære forhold mellem hårdhed og slidmodstand ses tydeligst med hærdet stål. Skønt disse typer stål fremstilles med samme teknik og har fælles struktur, varierer hårdheden. Eksempel på en typisk spildevandsstation med propeller pumper. s. 2
Slam med 20% naturligt granitsand (Kornstørrelse: 0,70 mm) Hard-ron TM, hærdet 60 HRC NORMATVE AS 10 Stål, hærdet 64 HRC Ni-hærdet 55 HRC Stål, hærdet 53 HRC Stål, hærdet 44 HRC Hard-ron, udglødet 37 HRC Gråjern, hærdet 47 HRC Stål, hærdet 38 HRC Rustfrit stål AS 316, 215 HB (17 HRC) Rustfrit stål AS 329, 249 HB (23 HRC) Varmfast nikkel 160 HB (7 HRC) Gråjern, typisk pumpehjul materialeperitic 196 HB (13 HRC) 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 Figur 1: Forskellige materialers slidstyrke. ndvirkningen af generel korrosion på en spildevandspumpe, som stadig fungerer efter 50 års brug. Gråjern med indlejret blødt grafit i strukturen har lavere slidmodstand i hærdet stand end i støbt stand i forhold til kulstofstål med lignende hårdhed. Rustfrit stål yder derimod noget bedre end gråjern på grund af de højere korrosionsmodstandsdygtige egenskaber i rustfrit stål. Den mest almindelige af disse stigende effekter er kloridindhold. Selv lave kloridniveauer i spildevand kan påvirke korrosionsgraden stærkt. Som en tommelfingerregel, hvis kloridniveauet er under 200 mg/l kræves der ikke yderligere beskyttende foranstaltninger til gråjern og kulstofstål. Korrosionstyper Der findes mange forskellige korrosionsfænomener. Generel korrosion og erosionskorrosion er f.eks. mest almindelige for gråjern og kulstofstål, som kommer i direkte kontakt med spildevandet. Galvanisk korrosion er endnu en type, som generelt er forbundet med aluminiumspumper; dog er risikoen for galvanisk korrosion ikke så stor, når der f.eks. bruges rustfrie stålpumper i spildevand. Generel korrosion Generel korrosion angriber alle typer overflader, men optræder som regel i mindre grad. Generel korrosion er derfor normalt ikke noget problem for komponenter, som er støbte med tykke vægge. ndvirkningen af generel korrosion på en spildevandspumpe, som stadig fungerer efter 50 års brug. Korrosionsgraden for ilt-induceret korrosion kan stige af mange grunde, herunder høj temperatur, medier med høje eller lave ph-værdier, højt iltindhold eller højt kloridindhold. s. 3
Erosionskorrosion Når vand strømmer ved høje hastigheder, og ilt eroderer korrosionsprodukterne fra overfladen, er erosionskorrosion almindeligt. Generelt lokaliseret til områder med turbulent flow er angrebene endnu mere alvorlige, hvis der også er luftbobler og faste partikler til stede. Skader som følge af erosionskorrosion kan forveksles med kavitationsskade, men hvis pumpen virker perfekt i det korrekte område af en QH-kurve, og der er tilstrækkelig NPSH til rådighed, er risikoen for kavitation lav. Dette tyder som regel på, at erosionskorrosion er den mest sandsynlige årsag til skaden på materialet. Galvanisk korrosion Når to forskellige metaller forbindes elektrisk og anbringes i kontakt med spildevand, som indeholder klorider, danner de en galvanisk celle, hvor det mere ædle materiale er katodisk og det mindre ædle anodisk. Det anodiske materiale udsættes derfor for korrosion. Graden af korrosion afhænger af: Katodens overfladeforhold i forhold til anoden Størrelsen af potentiel forskel (Figur 2) Væskens ledningsevne (kloridindhold)) Titanium Hard-ron, Carbon steel and grey iron Stainless steel 316 & 329 Stainless steel 304 Copper Aluminum bronze Brass Noble materials Aluminum Zinc 1.0 0.5 Potential [V] vs. saturated calomel reference electrode 0.0 Figur 2: Elektropotentialet kan måles af metaller i forskellige vand-løsninger og opført i galvanisk serie. Erosion-korrosion af et pumpehjul Påvirkninger af galvanisk korrosion på en løftebolt med rustfri stålkæde. s. 4
Materialetyper Valget af pumpemateriale afhænger af anvendelse, og valget er vigtigt for at opnå en lang levetid for pumpen. Materialet i pumpehjulet er den vigtigste faktor, da pumpehjulpet påvirkes stærkt af slid og erosionskorrosion pga. dens høje hastighed i forhold til væsken. Hyppigt anvendte pumpematerialer Materiale Nikkel Krom Hårdhed (hærdet stand) Hårdhed (ikke hærdet stand) Relativ slidstyrke Elektrokemisk potentiale ph begrænsninger Klorid begrænsninger (uden zinanode beskyttelse)) Gråjern 0 0% 47 HRC 13 HRC 1.3 (3.3*) *hardened 0.55 to 0.65 5.5 14 <200 ppm Rustfrit ståll 316/329 4 11% 17 25% 10 20 HRC 2 0.1 0.3 0 14 <500 ppm Hard-ron 0 25% 60 HRC 37 HRC 10 0.55 to 0.65 5 14 200 300 ppm Figur 3: Dette er de hyppigst anvendte pumpematerialer og deres respektive modstandsdygtighed over for slid og korrosionsbestandige egenskaber. Gråjern Gråjern er kendt for sine glimrende støbeegenskaber og kan også hærdes og har gode bearbejdningsegenskaber. Det er et relativt billigt materiale og et egnet valg, hvis der ikke er specielle krav til korrosionsbeskyttelse eller ekstra slidstyrke. Gråjern kan bruges med spildevand i ph-området 5,5 til 14 forudsat, at kloridindholdet ikke overstiger 200 mg/l. Hvis kloridindholdet overstiger de maksimalt tilladte værdier, anbefales både brug af zinkanoder og en speciel epoxybelægning. Rustfrit stål type 316/329 Rustfrit stål er et egnet materiale til pumper, hvor spildevandet ikke indeholder slidende partikler, og koncentrationen af klorider ikke overstiger 500 mg/l. Rustfrit stål har en høj modstandsdygtighed over for korrosion, men en lav slidstyrke. Nogle gange indeholder spildevand dog slidende partiker, som begrænser rustfrit ståls egnethed til spildevandsanvendelse. Ændring af pumpehjulet i en støbejernspumpe fra støbejern til rustfrit stål udgør en risiko for galvanisk korrosion, som øger muligheden for korrosion på de andre pumpekomponenter, der er i kontakt med pumpemediet, og som er lavet af mindre ædle materialer. Rustfrit stål er derfor ikke et egnet materiale til alle spildevandsanlæg. s. 5
Hard-ron Hard-ron har mellemgode korrosionsbestandige og meget gode slidstyrkeegenskaber. Slidtests viser, at levetiden for et pumpehjul lavet af hårdt jern kan være over tre gange længere end et pumpehjul lavet af hærdet gråjern. Hårdt jern er en støbejernslegering med høj styrke, som er sammensat af 25% krom og 3% kulstof. Under størkningsprocessen omdannes kromet og kulstoffet til meget hårde karbider. Dette gør hårdt jern meget modstandsdygtigt over for slid og erosionskorrosion. Hårdt jern er mere egnet til typiske spildevandsanvendelser end rustfrit stål, som vil forårsage galvanisk korrosion af de omgivende materialer og reducere systemets samlede levetid. Accelererede slidtests med sand er blevet udført på Xylems laboratorium. Før testene, blev pumpehjulsspalten målt til 0,3 mm. Testresultaterne viser, at pumpeslid på rustfrit stål og gråjern sker ved omtrent samme rate (efter 50 63 timers accelereret test), indtil pumpehjulsspalten blev målt til 2 mm (figur 4). Et pumpehjul af hårdt jern holder ca. tre gange længere (efter 190 timers accelereret test), før slid øgede pumpehjulsspalten til 2 mm. Accelereret slid test 6 5 4 Gråjern Rustfrit stål Hard-ron Spalte [mm] 3 2 1 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Tid [h] Figur 4: Accelererede tests viser sammenligningen af materialeslid. Brugen af hårdt jern minimerer sliddet på pumpehjulene og forlænger pumpehjulenes levetid. s. 6
Kombination af materialevalg og beskyttelsesforanstaltninger De stigende komplekse blandinger af spildevand kan påvirke pumpen og føre til både korrosion og slid. Dette øger kravene til valg af det rigtige materiale til pumpen samt at opnå ordentlig beskyttelse af pumpen.. Zinkanoder og beskyttende belægninger kan give den nødvendige pumpebeskyttelser. Som nævnt tidligere afhænger valget af materiale til pumpen af mængden af kloridioner og slidende partikler i spildevandet. Konklusion Spildevand indeholder ofte slidende partiker, og derfor kræver pumper, som håndterer spildevand typisk materiale, som kan håndtere slidende partikler. Hårdt jern anses derfor som det mest egnede materiale til pumpehjul. Hvis der er et lavt niveau af slidende partikler i spildevandet, er et pumpehjul af gråjern en egnet og omkostningseffektiv løsning. Hvis der er et højt kloridindhold, er det nødvendigt med yderligere beskyttelse med en speciel epoxybelægning og zinkanoder. HØJ Lav korrosion, højt slid situationer, hvor der er højere koncentration af slidende partikler eller højere grad af eroderende slid, vil brugen af et pumpehjul af hårdt jern forlænge pumpens forventede levetid. Dette er en almindelig løsning til håndtering af spildevand, som typisk indeholder slidende partikler Kunde fordele: 2-3 gange mere slidstærk endrustfrit stål eller gråjern. Forlænger pumpens forventede levetid. Formindsker energiforbruget over tid ngen ekstra beskyttelse behøves. Høj korrosion, højt slid Hvis der er både korrosions og slidbetingelser til stede, er der kun én anbefalet løsning: en pumpe af gråjern med et pumpehjul af hårdt jern, som er beskyttet med både en epoxybelægning og zinkanoder. Dette er den mest slidstærke løsning og meget egnet til håndtering af spildevand, der indeholder klorid. Kunde fordele: 2-3 gange mere slidstærk end rustfrit stål eller gråjern. Forlænger pumpens forventede levetid. Formindsker energiforbruget over tid Special epoxy maling og zink anoder beskytter pumpen mod korrosion. SLD Lav korrosion, lavt slid En pumpe af gråjern med et pumpehjul af gråjern og en standardbelægning viser sig være den mest omkostningseffektive løsning til anlæg med lav korrosion og lavt slid. Denne kombination af materialer og standardbelægning kræver ikke yderligere beskyttelsesforanstaltninger, hvilket kun bidrager til en mindre omkostningseffektiv løsning i det lange løb. Kunde fordele: Passer de fleste spildevands applikationer. Kræver ingen ekstra tiltag til beskyttelse. Dette bidrager til lave driftsomkostninger. Høj korrosion, lavt slid situationer, hvor spildevandet er korroderende, men uden slidende partikler, er kombinationen af en pumpe af gråjern med et pumpehjul af gråjern, zinkanoder og speciel epoxybelægning en egnet og meget omkostningseffektiv løsning. Kunde fordele: Special epoxy maling og zink anoder beskytter pumpen mod korrosion. En omkostningseffektiv løsning baseret på standard materiale. LAV KLORD NDHOLD HØJ Figur 5: Korrosion og materialer. s. 7
P 8 Flygt is a brand of Xylem. For the latest version of this document and more information about Flygt products visit www.flygt.com 2013 Xylem, nc.